多層砌體結構抗震加固技術的探討

劉方

前言

砌體結構的歷史要追溯到中國的“秦磚漢瓦”、古埃及的“金字塔”、巴比倫的“空中花園”等。我國有大面積國土位于高烈度地震設防區，這些地區大量的建筑結構屬于砌體結構，尤其是廣大農村、中小城市以及鄉鎮地區的絕大多數建筑結構都是砌體結構，這也導致了與發達國家相比，我國在較強地震作用下的人員傷亡與直接經濟損失較大（圖1）。

圖1 砌體結構在地震作用下的破壞場景（汶川地震）

長期以來，大量的研究成果以及震害調查結果都表明，我國地震中的人員傷亡和經濟損失基本上都是由于建筑物的倒塌與破壞引起的。其中砌體結構的破壞與倒塌造成的傷亡和損失占整體傷亡和損失的很大一部分。砌體結構自身的抗震能力直接影響著地震造成的人員傷亡和經濟損失的程度，因此，要想最大程度地降低這種影響，就需要對砌體結構的抗震設計與加固進行深入的研究。

砌體結構是指用磚石、砌塊以及膠結材料通過砌筑工藝而形成的供人類使用、生活的一種結構。它的構成材料的力學性能主要是抗壓、不抗拉、不抗彎等，這也就導致了砌體結構在地震力作用下抗拉能力、抗剪能力、抗彎能力相對較低，特別容易裂開、倒塌，具有明顯“脆性”破壞的特征。同等級地震作用下，砌體結構破壞的概率相比鋼筋混凝土結構、鋼結構等其他各類建筑結構類型要高許多。究其原因，還是因為絕大多數砌體結構的抗震設計不夠合理、細部構造后處理不當、施工過程的質量管理舉措欠缺、實施建造行為的主體防震抗震意識淺薄。

多層砌體結構地震破壞模式及機理探討

在地震作用力的影響下，從受力分析的角度講砌體結構的傳力路徑為：地震剪切力首先通過砌體結構的樓板傳遞給墻體（主要承重構件），再由墻體傳遞給基礎。在這個傳力過程中，墻體是主要的承重構件，由于自身具有較大的強度和剛度，所以在地震作用下，墻體吸收了絕大部分的地震振動能量。在這種情況下，砌體結構的墻體不但承受著豎向的壓力，也承受著水平向的剪力，這就導致墻體內部的受力是極其復雜的，砌體構成材料處于復雜應力的狀態，直至復雜應力達到砌體結構的承載能力而最終破壞或者倒塌。

特別值得注意的是，砌體門窗洞口的設置使得砌體墻體形成了數量較多的非連續的局部墻體或者墻段，造成了砌體結構整體性較差而抗剪強度大幅降低。開洞墻體破壞主要有2種情形：（1）窗間墻體比窗下墻體先破壞（圖2）。由于墻體開洞，墻體水平方向上間斷不連續，在地震作用下，同一高度墻體會集體退出工作，甚至引起砌體結構的坍塌，破壞過程相對短而快速，不利于墻體整體功能的發揮，后期修復也比較困難，修復工藝十分復雜，代價也大。（2）窗下墻體比窗間墻體先破壞。由于窗下的墻體是連續而不間斷的，其退出工作不會立即導致整面墻體的垮塌，能提前吸收部分地震能量，給墻體整體抗震性能的發揮爭取了時間，最大程度地增加了墻體的延性性能，后期修復方便、快速，代價較低。

圖2 窗間墻體典型破壞

開洞墻體的抗震設計

墻體的不同破壞模式對墻體的整體穩定性、安全性的影響是不同的，如果按照人為預期，最佳的破壞模式應該是窗下墻體的破壞比窗間墻體先發生或者窗下墻體和窗間墻體同時破壞。所以，這就要求，在進行砌體結構設計、構造設置、施工質量管理的時候，盡可能地讓墻體“促進或者接近”產生這種理想化的破壞情形。

圖3 窗下墻體典型破壞

我國的砌體結構設計規范認為：窗下墻體由于沒有開洞，其抵抗側向位移的能力遠大于窗間的墻體，單單進行一定的構造措施設置就可以實現抗震的要求。這種定性的構造措施有其簡單易行的優勢，但是針對地震中普遍出現的窗下墻、窗間墻破壞震害，對窗下墻設計方法進行優選也是一種發展趨勢。就現階段國內針對窗下墻設計計算的方法而言，國內不少學者都將壁式框架（圖4）計算分析概念用于窗下墻內力計算中，同時考慮窗間墻與窗下墻的彎曲、抗剪形變，運用結構力學相關知識進行內力分析和相關計算。并由此衍生出了在進行砌體結構設計時對窗下墻也要進行受力計算分析的新方法，給廣大砌體結構設計人員提供了新思路。因此，在進行砌體結構受力分析與計算時，利用壁式框架模型開展，同時考慮窗下墻體因素，這樣才能獲得更好的抗震效果。

圖4 壁式框架簡圖

多層砌體結構抗震加固應用建議

（一）捆綁裝配式綜合加固技術

捆綁裝配式綜合加固技術指的是在外縱墻、外橫墻上，對構造柱用薄壁鋼方管混凝土（圖5），對圈梁用槽鋼進行加固處理，用扁型鋼或者角鋼托對內橫墻加固的綜合性磚砌體加固思路。這種綜合性的加固方法優于傳統的單一形式的加固方法，極大地提高了砌體結構加固的施工速度，極大地提升了被加固砌體結構的安全程度，這種捆綁形式的綜合性加固技術對多層磚混結構，尤其是對年久的多層砌體結構效果特別明顯，具有施工速度快、施工程序簡單、造價比較低、社會效益比較好等優點。經過大量的實踐證明，此種加固類型防震抗震效果比較好，經加固后的房屋安全性比較高，有力地保障了使用者的生活舒適、安全。

圖5 扁鋼加固實例

（二）壓漿錨桿拉結加固技術

壓漿錨桿拉結砌體加固技術是指在砌體結構后加圈梁和后加柱體的位置先進行鉆孔，再將外加柱和圈梁伸出的鋼筋錨入孔內，再對孔內進行水玻璃砂漿的壓力注漿而最終形成的聯結加固技術（圖6）。這種技術的優點是施工速度快、連接強度大且牢靠、質量好、節約鋼材、施工時為室外作業而對室內干擾少。

圖6 壓漿錨桿拉結技術簡圖

（三）鋼筋網砂漿面層加固技術

鋼筋網砂漿面層加固技術是指在砌體結構墻體表面進行鋼筋網綁扎鋪設，形成鋼筋網架，與墻體進行一定的聯結，然后進行砂漿覆面處理的砌體加固技術（圖7）。我國很多學者對此種加固技術進行了大量的研究，目前是比較成熟的。從數據來看，此種方法適用于墻體未開裂時對墻體進行處理，由于加固處理增加了墻體抗水平力的能力，所以，墻體的抗剪強度較未加固有較大幅度的提升。當墻體開裂后，如果再用此種方法進行加固，雖然抗水平力能力有所提升，但是墻體剛度、強度提升效果不是那么明顯。不過，無論哪種情形下采取此類方式進行處理，墻體的變形能力和延性都有不同程度的提升。但加固產生的抗水平能力的提升幅度需要高于預期地震作用下的水平破壞力，這種方法的效果才明顯。因此，廣大工程實施者在采取此類方法時，建議進行適當的理論分析及內力計算，以確保加固的有效性，確保工程質量，保證施工行為的實際意義。

圖7 鋼筋網砂漿面層施工案例

（四）預應力加固技術

最早使用預應力技術對砌體結構進行加固可追溯到20世紀80年代，當時的技術是采取在樓蓋下部的墻體內外側各加一道鋼筋混凝土圈梁，并使用鋼拉桿將兩道外加的鋼筋混凝土圈梁互相拉結，墻體與鋼筋混凝土圈梁呈夾心狀。由于這種形式的拉結，兩道外加圈梁之間隔著一道墻體，而且外加的鋼筋混凝土圈梁與屋蓋或者樓板并不直接接觸，所以，外加圈梁與墻體不能形成整體，抗震效果非常有限。經驗證發現，這種預應力拉結加固只有當地震時屋蓋或者樓板發生相對較大的側向移動時（即樓蓋或者樓板在有一定的破壞的前提下），加固的效果才得以體現。這種加固形式雖然工藝簡單、費用低廉、有一定的成效，但是缺點明顯，比如“五花大綁”不美觀，性能發揮不及時略顯浪費、加固工作量大等，適合形體不大、要求不高的砌體結構。后來，又有人對此方法進行了改良，采用后張法預應力張拉方式張拉預應力鋼絲束，將樓蓋或者屋蓋轉化成剛性較強的水平方向的“深梁”（圖8），外加在兩頭和中間設置3道用鋼筋網水泥砂漿加固法處理的磚墻、鋼筋混凝土門框和窗框，形成了一個抗剪筒體，吸收絕大部分地震剪力，加固效果大幅度提升，加固工作量也大幅度降低。

圖8 預應力筋形式

（五） 消能支撐技術

消能支撐（圖9）是指根據實際工程需要，通過在砌體結構中較為重要承重結構構件（如圈梁、構造柱等）下部或者旁邊設置一定的吸能原件（如彈塑性變形元件和構件）將地震產生的振動轉化為機械能或者其他形式的能量（如摩擦、彈塑性變形等），代價是消能原件破壞，但是，延遲了砌體主體結構進入彈塑性變形階段的時間，主體結構主要承重構件不先破壞。消能支撐加固技術不僅為抗震加固提供了新方法，且適用面極其廣泛，尤其在軟土地基、結構較為復雜、多維震動等工程中效果十分明顯，極大地提升了砌體結構的安全性、防震抗震性能。

圖9 消能支撐實例

總結

在砌體結構加固方法、方案選擇時，要重點關注方案和方法的組合應用，用最低的代價獲得最好的效果，以經濟效果和指標效果為參考，再考慮施工的簡便性，篩選最優的綜合性方案才是砌體結構加工工程人要做的首要事情。本文陳述了砌體結構的破壞機理及模式，重點說明了設計階段應該考慮的要點，講解了目前最普遍最常用的砌體結構加固方案，為廣大老舊小區、抗震薄弱點明顯的砌體結構建筑加固改造提供了一定的參考，相信在經過全面設計、綜合考慮、嚴格施工、嚴格管理、促進質量等一系列的工程行為下，砌體結構的抗震性能能得到整體提升。